CN103472302A - 用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法。其特点是，包括如下步骤：步骤1：对采集的电网电压信号滤波处理，滤除直流分量和基频以外的高次谐波，得到Vα信号；步骤2：然后对得到的Vα信号进行移相90度，生成信号Vβ，即产生一组正交信号；步骤3：利用电网的估算角度θ'对得到的正交信号Vα和Vβ信号进行d-q变换，得到Vd和Vq；其中电网的估算角度θ'初始值设为0，然后经过步骤4、步骤5的运算值将得到更新，从而使暂态过程结束之后估算角度θ'将达到真实的电网电压相位。本发明方法的优点是可以滤除采集得到的电网电压信号中的谐波干扰并且将采集的电网电压信号中出现直流分量信号进行滤除，从而实现较高的锁相精度。

Description

用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法

技术领域

本发明涉及一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法。

背景技术

目前，单相（光伏）并网逆变器多数都采用过零点检测跟踪电网电压相位，这种方法抗干扰性能较差。另外还有借鉴三相锁相环的基于同步坐标系的单相锁相技术，这类方法需要构造一对正交信号，目前构造正交信号通常采用的方法有采用数组存储的延时方法和基于广义二阶积分器实现移相90°。其中，延时方法只需要构造一个数组，结构简单，但是由于它不能滤除采集得到的电网电压信号中的谐波干扰，所以锁相精度较差；而基于广义二阶积分器的移相方法不能解决在采集的电网电压信号中出现直流分量时锁相精度变差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，使其能够准确的检测电网电压的频率以及电网电压当前的角度。

一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

步骤1：对采集的电网电压信号滤波处理，滤除直流分量和基频以外的高次谐波，得到Vα信号；

步骤2：然后对得到的Vα信号进行移相90度，生成信号Vβ，即产生一组正交信号；

步骤3：利用电网的估算角度θ'对得到的正交信号Vα和Vβ信号进行d-q变换，得到Vd和Vq；其中电网的估算角度θ'初始值设为0，然后经过步骤4、步骤5的运算值将得到更新，从而使暂态过程结束之后估算角度θ'将达到真实的电网电压相位；

步骤4：利用比例积分PI调节器，将无功分量Vq控制到零，将锁相环系统的带宽设置为30Hz；

步骤5：利用积分模块对PI调节器输出的频率信号与基准频率w₀的和进行积分，得到的即是估算的电网电压相位θ'。

在步骤3之后，对d-q变换后的结果Vq进行判断，如果Vq的绝对值小于限值，则认为锁相成功，将锁相成功后计算的电网角频率值每100ms计算一次平均值，根据新的电网角频率平均值重新计算带通滤波器和正交信号生成模块参数的方法，从而提高系统的锁相精度。

步骤1中的带通滤波器的传递函数Gbp为：

$\mathrm{Gbp}=\frac{s(w_0/Q)}{s^2+s(w_0/Q)+{w_0}^2}$

上式为带通滤波器在复频域内的表示，其中s为复变量，w₀为谐振频率，Q为品质因数。

步骤2中产生正交信号的全通滤波器的传递函数为：

$\mathrm{Gs}=\frac{-s+w_0}{s+w_0}$

上式为全通滤波器在复频域内的表示，其中s为复变量，w₀为电网的角频率。

步骤3中d-q变换公式如下：

v_α=Vcos(θ)

v_β=Vsin(θ)

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& \sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，Vα为电网电压信号，Vβ为电网电压信号通过正交信号生成模块滞后90度的信号，θ为电网电压真实的角度，θ'为每次通过上述五个步骤之后估算的电网电压角度。Vd、Vq分别为DQ旋转坐标上的有功分量和无功分量。

本发明方法的优点是可以滤除采集得到的电网电压信号中的谐波干扰并且将采集的电网电压信号中出现直流分量信号进行滤除，从而实现较高的锁相精度，适应性好，响应快，抗干扰能力强，在电网电压频率变化与波形畸变的情况下仍然可以保证锁相精度。将此算法以光伏逆变器为硬件不断试验，其锁定频率为49.9-50.1hz之间。

附图说明

图1是实现本发明方法的硬件部分的逻辑原理框图；

图2是本发明中带通滤波器的波特图；

图3是本发明中正交信号产生环节的波特图；

图4是本发明中d-q变换示意图。

具体实施方式

其实现的具体方式主要有五个步骤：第一步将信号通过带通滤波器模块进行滤波，此滤波器对谐振频率外的信号有很大的衰减，利用此特性实现对采集到的电压信号谐波和直流分量的滤除。第二步将滤波后的信号Vα通过正交信号产生模块从而产生滞后90度的电压信号Vβ。第三步将Vα和Vβ利用上一次估算角度θ'进行d-q变换并将结果Vq与0做差运算。第四步对差值做比例积分（PI）运算。第五步将第四步中的计算结果与电网基角频率做和将得到电网的估算角频率。第六步将估算的角频率进行积分将得到电网当前角度的估算值θ'。需要说明一点：此算法开始运行的时候会有一个暂态过程，在此过程中估算的角度和频率与实际值偏差很大，但随着系统PI调节器的不断调节第三步计算的偏差将快速减小，最终系统进入稳态，算法估算的角度和频率将近似等于电网的当前角度和频率的真实值。

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，由电压信号采集电路对电网电压采样、调理，输入到微控制器转换为数字量，然后通过由软件实现的控制算法计算出电网电压基波相位θ'，其具体步骤如下：

步骤1：利用软件实现的带通滤波器对电压传感器采集的电网电压信号滤波处理，滤除直流分量和基频以外的高次谐波得到Vα信号。

步骤2：利用软件实现的一种全通滤波器对带通滤波之后的信号Vα通过正交信号生成模块进行移相90度生成信号Vβ，以此方法产生一组正交信号。

步骤3：利用估算的电网角度θ'对正交信号Vα和Vβ信号进行d-q变换，得到Vd和Vq。

步骤4：设计PI调节器，将无功分量Vq控制到零，在保证系统稳定性的情况下提高系统的响应速度，将锁相环系统的带宽设置为30Hz。

步骤5：积分模块对PI调节器输出的频率信号与基准频率w₀的和进行积分，得到的即是估算的电网电压相位θ'。

步骤6：考虑到电网频率的波动会影响带通滤波器和正交信号生成模块的性能，采用每100ms计算一次所估算的电网频率的平均值，利用此电网频率平均值重新计算带通滤波器和正交信号模块参数的方法，提高系统的锁相精度。

步骤1中，带通滤波器的传递函数Gbp为：

$\mathrm{Gbp}=\frac{s(w_0/Q)}{s^2+s(w_0/Q)+{w_0}^2}$

式中，w₀为谐振频率，Q为品质因数。由于电网额定频率为50Hz，所以w₀取为100π，为了对直流分量和高次谐波有效的衰减Q取为1。

Gbp的幅频特性和相频特性如图2所示，从幅频特性可以看出此带通滤波器在w₀处增益为0dB，对直流和高频谐波的衰减很大，从相频特性可以看出此带通滤波器在w₀处相位为0，所以此带通滤波器可以很好的抑制直流分量和高次谐波对锁相精度的影响。

采集到的电压信号Vg可以表示为：

式中，U_dc为电网电压信号中的直流分量，U₁为基波分量的幅值，

为基波分量的初始相位，U_n为n次谐波的幅值，

为n次谐波的初始相位。

当此电网电压信号经过带通滤波器之后，直流分量和高次谐波便被衰减，直流分量和高次谐波对锁相精度的影响便可忽略，所以滤波之后的电压信号可以表示为：

Vα=U₁cosθ

其中，

步骤2中，实现构造正交信号的全通滤波器的传递函数为：

$\mathrm{Gs}=\frac{-s+w_0}{s+w_0}$

Gs的幅频特性和相频特性如图3所示，从幅频特性可以看出它在整个频域内幅值为0dB，相频特性在w₀处滞后90°，移相之后的电压信号可以表示为：

Vβ=U₁sinθ

由此便构造除了一组正交信号。

步骤3中的d-q变换是由α-β静止坐标系到d-q同步旋转坐标系的变换，变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& \sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，Vd、Vq分别为DQ旋转坐标上的有功分量和无功分量。

Vα、Vβ、Vd、Vq的关系如图4所示，其中θ为Vα、Vβ的和矢量与α坐标系的夹角，w为d-q坐标系的旋转方向。

无功分量Vq=U₁sin(θ-θ′)，当Vq=0，即θ′-θ=0时，便锁相成功。在Vq较小的情况下，可以做近似Vq≈U₁*(θ-θ′)。

以Vq作为被控对象按照步骤4、5中的方法便可得到电网相位的估计值θ′。

步骤6中重新计算带通滤波器和正交信号模块参数可以提高滤波器在电网频率波动时的适应性，减小电网频率波动对锁相精度的影响。

本发明涉及一种单相并网逆变器并网锁相环应用方法，可用于单相并网逆变器中，具体是利用软件实现的带通滤波器对电压传感器采集的电网电压信号滤波处理，滤除直流分量和基频以外的高次谐波得到Vα信号；再经过一种全通滤波器对带通滤波之后的信号Vα进行移相90度生成信号Vβ，以此方法产生一组正交信号；利用估算的电网角度θ′对正交信号Vα和Vβ信号进行d-q变换，得到Vd和Vq；设计PI调节器，将无功分量Vq控制到零，在保证系统稳定性的情况下提高系统的响应速度；积分模块对PI调节器输出的频率信号与基准频率w₀的和进行积分，得到的即是估算的电网电压相位θ′；考虑到电网频率的波动会影响带通滤波器和正交信号生成模块的性能，采用每100ms计算一次所估算的电网频率的平均值，利用此电网频率平均值重新计算带通滤波器和正交信号模块参数的方法，提高系统的锁相精度。

图2为本次设计的带通滤波器的频率分析的波特图，分别是幅频特性曲线和相频特性曲线，幅频率特性表示的是带通滤波器对非50hz频率信号有很大的衰减作用，衰减的信号主要包括直流分量以及高频的电压谐波，对于50hz的信号其衰减程序为0dB，从而说明50hz的信号完全可以通过带通滤波器，其他频率信号将被带通滤波器衰减。相频特性曲线表示的对通过滤波器的信号的相位影响。其中50hz的信号通过滤波器其相位为0度，因此不会干扰原信号的基波相位而避免造成锁相错误。

图3为正交信号生成模块的频率分析波特图。分别是幅频特性曲线和相频特性曲线，其中幅频特性曲线表示的是对所有信号没有衰减作用，也就是说他是一个全通滤波器。相频特性曲线表示此全通滤波器会影响信号相位的超前或滞后，其中对50hz的信号其相位将滞后90度，从而利用此方法来产生滞后相位为90的信号。

图4为由αβ两相静止坐标系到dq旋转坐标系变换的示意图，ω为d-q旋转坐标系的旋转角频率，Vd、Vq为变换之后在d-q轴上的分量，Vα、Vβ的大小在αβ坐标轴上随时间变化，V为电压电压幅值。其中V_α=V*sinθ'，V_β=V*cosθ'，θ为Vα与Vβ的和与α轴的夹角，也随时间而变化，θ′为d轴旋转的角度，由几何关系可以得到如下关系式：

V_q=V_α*cosθ+V_β*sinθ=Vsin(θ-θ')

由以上表达式可知，当Vq=0时，θ=θ'即d-q轴的旋转角度与θ完全同步。

Claims (5)

1.一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对采集的电网电压信号滤波处理，滤除直流分量和基频以外的高次谐波，得到Vα信号；

步骤2：然后对得到的Vα信号进行移相90度，生成信号Vβ，即产生一组正交信号；

步骤3：利用电网的估算角度θ'对得到的正交信号Vα和Vβ信号进行d-q变换，得到Vd和Vq；其中电网的估算角度θ'初始值设为0，然后经过步骤4、步骤5的运算值将得到更新，从而使暂态过程结束之后估算角度θ'将达到真实的电网电压相位；

步骤4：利用比例积分PI调节器，将无功分量Vq控制到零，将锁相环系统的带宽设置为30Hz；

步骤5：利用积分模块对PI调节器输出的频率信号与基准频率w₀的和进行积分，得到的即是估算的电网电压相位θ'。

2.如权利要求1所述的一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特征在于：在步骤3之后，对d-q变换后的结果Vq进行判断，如果Vq的绝对值小于限值，则认为锁相成功，将锁相成功后计算的电网角频率值每100ms计算一次平均值，根据新的电网角频率平均值重新计算带通滤波器和正交信号生成模块参数的方法，从而提高系统的锁相精度。

3.如权利要求1所述的一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特征在于：

步骤1中的带通滤波器的传递函数Gbp为：

$\mathrm{Gbp}=\frac{s(w_0/Q)}{s^2+s(w_0/Q)+{w_0}^2}$

上式为带通滤波器在复频域内的表示，其中s为复变量，w₀为谐振频率，Q为品质因数。

4.如权利要求1所述的一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特征在于：

步骤2中产生正交信号的全通滤波器的传递函数为：

$\mathrm{Gs}=\frac{-s+w_0}{s+w_0}$

上式为全通滤波器在复频域内的表示，其中s为复变量，w₀为电网的角频率。

5.如权利要求1所述的一种用单相光伏并网逆变器检测电网电压相位的方法，其特征在于：

步骤3中d-q变换公式如下：

v_α=Vcos(θ)

v_β=Vsin(θ)

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& \sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，Vα为电网电压信号，Vβ为电网电压信号通过正交信号生成模块滞后90度的信号，θ为电网电压真实的角度，θ'为每次通过上述五个步骤之后估算的电网电压角度，Vd、Vq分别为DQ旋转坐标上的有功分量和无功分量。

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